東極島最後的出發者
中國最東端的小島正在搬遷，島民陸續離去。地理教師江河被調往遙遠的西部任教，剛回鄉的馬浩漢決定開著新買的汽車送他橫穿大陸。胡生也加入行程：他不熟悉外面的世界，卻記得兩位朋友從未像旁人那樣輕視自己。三人還計劃順路探望離島多年的周沫，以及與浩漢通信多年的劉鶯鶯。
臨行前，浩漢試圖燒掉自己的舊屋，給過去做一個決絕的了斷。火勢和爆炸卻超出控制，胡生與周沫的舊宅也被波及。三人只得帶著有限的行李乘船上岸；浩漢關於振興故鄉的設想尚未開始，旅程已經先以一次笨拙的破壞拉開序幕。
片場裡的周沫
他們的第一站是影視基地。周沫沒有成為浩漢和胡生想像中的明星，而是在不同劇組間輾轉做替身和群眾演員。胡生抱著禮物來見兒時的鄰居，周沫仍熱情接待三人，卻必須不斷換裝、趕往下一場戲。熟人重逢帶來的不是重返童年，而是彼此已經生活在完全不同的節奏裡。
周沫坦言自己的生活並不體面，也沒有多少挑選角色的餘地。她與浩漢談起舊日感情和劉鶯鶯，但沒有要求誰留下。雙方很快在片場道別：周沫繼續去演她的下一個角色，浩漢一行則駛向下一個地方。同行者第一次意識到，記得彼此並不等於還能共享同一種人生。
蘇米設下的旅館騙局
當晚三人住進便宜旅館。自稱蘇米的年輕女子進入江河房間，江河沒有按她預想的方式行事，反而認真地同她談生活。隨後門外傳來查房動靜，江河相信蘇米正在求救，便鎖住房門、從窗戶帶她逃走；浩漢跟著跳窗上車，留在外面的胡生卻沒有趕上。從這一刻起，三人行變成了浩漢與江河的兩人行。
他們在加油站被蘇米的同伴和“三叔”追上，才知道所謂查房是一個敲詐騙局。蘇米也並非真正需要被營救：她懷著孩子，打算靠這套辦法攢錢去國外生產。江河仍試圖勸她改變生活，蘇米則拒絕把自己的選擇交給一個剛認識的過客。她留下聯絡方式，最終跟三叔一行離開；江河想阻攔，卻無法替她決定去向。
浩漢和江河打電話回旅館尋找胡生，又託電臺播出尋人消息，始終沒有得到明確下落。影片此後也沒有交代胡生去了哪裡。這個空缺沒有被一場正式告別填補，只有兩人繼續向西的汽車，提醒他們已經把朋友遺落在路上。
劉鶯鶯揭開的父親真相
浩漢多年來把劉鶯鶯當作從未謀面的戀人，也一直相信父親早年死於海上風暴。到達劉鶯鶯經營的撞球廳後，他才發現兩種認知都建立在隱瞞之上。劉鶯鶯一邊擊球，一邊告訴他：父親當年沒有遇難，而是離開東極島去找她和母親；兩人最初通信，是父親想借她瞭解兒子的近況。
後來父親去世，劉鶯鶯仍獨自讀完浩漢寄來的每封信。她沒有把兩人的關係解釋成浩漢期待的愛情，也沒有給父親塑造一個更好看的結局。橫在兩人之間的撞球桌，讓這場遲到十九年的見面始終保持著距離。浩漢聽完真相後離開，關於父親的英雄想像和關於鶯鶯的未來同時落空。
馬達與旅人阿呂
繼續上路後，浩漢和江河的錢與蘇米留下的卡片被風吹散，汽車擋風玻璃也被人拆走。兩人帶著頭盔勉強前行，又在路邊撿到一隻小狗，把它取名“馬達”。當他們在荒野迷路時，獨自徒步的阿呂出現了。阿呂自稱騎車走過漫長旅程，只因摩托車被偷才改為步行；他熟悉道路，也用見聞輕易打破江河對“世界觀”的自信。
浩漢很快把阿呂當作志趣相投的旅人。三人修車、趕路，在夜裡談起旅行者一號和即將升空的衛星。阿呂堅持想去看發射，浩漢卻要先送江河按時報到。次日兩人休息時，阿呂獨自駕車離開，只在荒地上卸下他們的行李、馬達和一張照片。
汽車被開走之後
浩漢和江河目送汽車遠去，終於確認阿呂不會回來。他們沒有交通工具，離目的地卻仍有很長一段路。江河認為阿呂或許另有苦衷，浩漢則無法接受胡生失散、蘇米設局和阿呂偷車離去都能用善意解釋。一路壓下的責任因此集中爆發。
兩人從爭論變成扭打，互相翻出旅途中所有失敗：胡生被落下、江河未能挽留蘇米、劉鶯鶯揭開真相，以及對陌生人的輕信。附近的火箭恰在此時升空，卻很快在空中爆炸，殘骸落入荒地。浩漢與江河停下爭鬥，站在殘骸旁重新談論接下來的路。
江河仍要向西走到任教地，也開始想像繼續橫穿更遠的地方；浩漢則不再相信一場旅途天然具有意義。他把馬達留給江河，獨自朝另一個方向離開。鏡頭只確認兩人在荒地分手：浩漢漸漸走遠，江河隨後帶著狗走入霧中的山路，影片沒有展示兩人此後的現實命運。
《旅行者》與沒有說明的後來
結尾轉入“後來”的敘述：江河寫成名為《旅行者》的書，旅途中的故事被傳播；東極島變成遊客到訪的地方，周沫出現在渡船的電視節目裡，蘇米則在船上靠在江河身旁。浩漢沒有出現在這組後來畫面中。影片把它們放在《旅行者》被提及之後，並未明確區分哪些是現實中的後來、哪些是書裡為旅程補寫的結局。
最後，畫面又回到浩漢與江河仍坐在汽車裡的時刻。他們談論一部故事應該怎樣結束，也談到人們分別時總想留下最後一句話。電影沒有替每個離開的人安排確定歸宿，而是停在一次平常的對話裡：從東極島出發的人一路不斷相遇，也不斷在尚未準備好時說再見。